Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. М.: Физматлит,
2010.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. СПб.:
Лань, 2009.
4. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: М., 2005.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2006.
6. Иродов И. Е. Механика: Основные законы. М.: Бином,
2007.
7. Иродов И. Е. Физика макросистем: Основные законы. М.:
Бином, 2010.
8. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М: Оникс Мир и об-
разование, 2006.
9. Матвеев А. Н., Атомная физика. М: Оникс Мир и образова-
ние, 2007.
10. http://fizkaf.narod.ru – кафедра и лаборатория физики Московского института открытого образования.
11. http://www.phys.spb.ru – сайт физического факультета
СПбГУ.
12. http://experiment.edu.ru – естественнонаучные эксперимен-
ты – Физика: Коллекция Российского общеобразовательного пор-
тала.
13. http://www.edu.delfa.net – кабинет физики СанктПетербургской академии постдипломного педагогического образования.
14. http://demo.home.nov.ru – Мир физики: физический эксперимент.
15. http://genphys.phys.msu.ru – сайт кафедры общей физики
физфака МГУ.
16. http://www.online-electric.ru/ – система автоматизации решения электротехнических задач, возникающих при проектировании, монтаже, оптимизации и эксплуатации систем электроснабжения.
61
6. Внешний фотоэффект
Цель: знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффек-
та, экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего
фотоэффекта, экспериментальное определение красной границы
фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излу-
чения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой
теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентиль-
ный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом)
называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается
в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках),
а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).
Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим
усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка
ультрафиолетовым излучением.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выпол-
нены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема
для исследования фотоэффекта приведена на рис. 6.1.
Рис. 6.1.Схема экспериментальной установки для исследования
фотоэффекта
62
Два электрона (катод К из исследуемого металла и анод А –
в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной
трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра
П можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на
них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется
включенным в цепь гальванометром Г. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени:
1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;
2) под действием света вещество теряет только отрицательные
заряды;
3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.
Дж. Дж. Томсон в 1898 г. измерил удельный заряд испускаемых под действием света частиц (по отклонению в электрическом
и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием
света вырываются электроны.
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным
излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его
освещении) или к возникновению ЭДС.
Вентильный фотоэффект, являющийся разновидностью
внутреннего фотоэффекта, – возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при
освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для
прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
На рис. 6.2 приведена вольтамперная характеристика фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов,
испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.
63
,
нас
I en
з
eU
mv
2
2
max
Рис. 6.2. Зависимость фототока от напряжения
По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т. е.
все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривой показывает, что электроны вылетают из катода
с различными скоростями. Максимальное значение тока I
тоток насыщения – определяется таким значением U, при котором
все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:
где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.
Из вольтамперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из
катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит, и
отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода
без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю,
необходимо приложить задерживающего напряжение Uз. При
U = Uз ни один из электронов, даже обладающий при вылете из
катода максимальной скоростью υ
, не может преодолеть задер-
max
живающего поля и достигнуть анода. Следовательно,
– фо-
нас
,
т. е., измерив задерживающее напряжение Uз, можно определить
максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.
При изучении вольтамперных характеристик разнообразных
материалов при различных частотах падающего на катод излучения и при различных энергетических освещенностях катода и
64
обобщения полученных данных были установлены следующие три
закона фотоэффекта.
1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего
света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу
времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока
пропорциональна энергетической освещенности Ее катода).
2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная
кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэф-
фекта, т. е. минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей.
Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых
(например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект.
Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна
была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия.
Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.
Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам,
пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но
достаточно большой интенсивности должен был бы вырвать электроны из металла; иными слова, красной границы фотоэффекта не
должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта.
Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.
А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его
закономерности могут быть объяснены на основе предложенной
им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет
с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но
и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε0 = hν. Таким
образом, распространение света нужно рассматривать не как не-
65
2
max
2
m
hv A
)(03vvheU
прерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.
По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним
электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно
быть пропорционально интенсивности света (1-й закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит
почти мгновенно.
Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему
фотоэлектрону кинетической энергии mυ
ния энергии,
Уравнение (6.1) называется уравнением Эйнштейна для внеш-
него фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить второй и третий
законы фотоэффекта. Из (6.1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от
его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни ν от интенсивности света не зависят (второй закон фотоэффекта). Так как
с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А = const), то при некоторой достаточно малой частоте ν = ν0 кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится (3-й закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (6.1) получим, что
ν
= A / h (6.2)
0
и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она
зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической
природы вещества и состояния его поверхности.
Выражение (6.1) можно записать в виде в виде
2
/2. По закону сохране-
max
. (6.1)
66
Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена. В его приборе (1916 г.) поверхность исследуемого металла
подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (изменялось задерживающее напряжение Uз) от частоты ν и определялась постоянная Планка. В 1926 г. российские физики П. И. Лукирский
(1894–1954) и С. С. Прилежаев для исследования фотоэффекта
применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом
в их установке служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом – шарик (R ≈ 1,5 см) из исследуемого
металла, помещенный в цент сферы. Такая форма электродов позволила увеличить наклон вольтамперных характеристик и тем самым более точно определять задерживающее напряжение Uз
(а, следовательно, и h). Значение h, полученное из данных опытов,
согласуется со значениями, найденными другими методами. Все
это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна,
а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.
Применение фотоэффекта. На явлении фотоэффекта осно-
вано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники.
В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы – приемники
излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие
энергию излучения в электрическую.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный
стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации
видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света – сурьмяноцезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них
наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности
67
излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.
Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных
фотоэлементов (фототок насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется разреженным инертным газом (Аr
или Ne при давлении ≈ 1,3 – 13 Па). Фототок в таком элементе,
называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной
ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов (≈ l мА/лм) гораздо
выше, чем для вакуумных (20–150 мкА/лм), но они обладают по
сравнению с последними большей инерционностью (менее строгой
пропорциональностью фототока интенсивности излучения), что
приводит к ограничению области их применения.
Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление
вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных
умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы,
общий коэффициент усиления составляет ≈ l07 (при напряжении
питания 1–1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают
вытеснять фотоэлементы, правда, их применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питания, что несколько неудобно.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями
(фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSc и некоторые другие полупроводники. Если
фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то
применение фотосопротивлений позволяет производить измерения
в далекой инфракрасной области спектра (3–4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
68
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающий слоем),
обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2–30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС К числу
вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др.
Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются
для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих
световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение
многих лет работают на космических спутниках и кораблях. КПД
этих батарей составляет ≈ 10 % и, как показывают теоретические
расчеты, может быть доведен до ≈ 22 %, что открывает широкие
перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.
Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, управления и автоматизации различных
процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д.
Оборудование и материалы: ноутбук или компьютер.
Указания по технике безопасности приведены в Приложении 1.
Задания
Внимательно рассмотрите рисунок и зарисуйте необходимое
в свой конспект лабораторной работы.
69
Варианты
U
зап1
U
зап2
U
зап3
U
зап4
1 и 5
–0,1
–0,3
–0,6
–0,8
2 и 6
–0,2
–0,4
–0,6
–0,9
3 и 7
–0,3
–0,5
–0,7
–1,0
4 и 8
–0,4
–0,7
–0,8
–1,1
Зацепите мышью движок реостата регулятора интенсивности
(мощности) облучения фотокатода и установите его на максимум.
Аналогичным образом установите нулевое напряжение между
анодом и фотокатодом и минимальную длину волны ЭМИ.
Наблюдайте движение электронов в фотоэлементе, изменяя
напряжение до запирания фототока.
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
Измерения
1. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепен-
но увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь
полного отсутствия фототока. Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна кр), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (кр).
2. Для более точного определения связи запирающего напря-
жения с длиной волны падающего излучения:
сначала установите значение запирающего напряжения в
соответствии с табл. 6.1;
перемещая мышью вертикальную метку на спектре, устано-
вите такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы
видите, что практически все электроны долетают до анода и после
этого движутся обратно к катоду);
значения и U
Значения запирающего напряжения (не переписовать)
занесите в табл.6.2.
зап
Таблица 6.1
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]